燃气管道穿越河流抢修施工技术.doc

燃气管道穿越河流抢修施工技术敷设地下燃气管道时，常需穿越河流，其施工工艺根据施工现场条件而定。目前一般采用的施工方法为架空跨越和水下敷设两大类。一、架空跨越法穿越河流的管线从水面上架空而过，适用于附近有桥梁或河流较狭窄的情况。架空跨越可分：附桥架设法、管桥法和拱管法等三种类型。1附桥架设法由于城市地下燃气管道一般敷设于公路旁，在穿越河流时即可依附于公路桥梁两边架设，故也称“桥管”。该方法在施工中最为常见。(1)桥管安装位置桥管安装位置一般由桥梁管理部门指定。一般布置如下：新建桥梁预留的管孔内(见图2926)。图2926架设在桥梁上的预留孔原有桥梁无预留孔而需搁置在特制钢架上(见图2927)。(2)吊装荷重计算有关管道架空绕度计算参阅第三章。桥管绕度的平衡安装见图2928。由于钢管的吊装在离水面数十米的高空进行，与陆地上正常施工相比应增加吊装安全因素。计算最大吊件质量的方法与钢管施工同。根据吊装的落点、吊机停放位置的距离，选择吊机类型。为确保吊机操作时的稳定，应考虑吊臂与水平仰角为60。吊机停放位置应选择在平整的场地，距离桥栏杆应大于一米。吊机选定后应将吊装时的总荷重与该桥梁的载荷作校核，满足下式才可施工：mF；m=m1+m2+m3式中m1钢管质量(吨)；m2吊机质量(吨)；m3工具、操作人员的质量(吨)；F桥梁载荷能力(吨)。当mF时可采取加铺铁板使载荷分散或移动吊机停放位置等方法来弥补。图2927钢管过桥架空安装示意图1桥桩；2镶接铸管；3绝缘玻璃布沥青(离地面700毫米以上)；4支墩；5波形管托架；6固定半圆环；7波形管；8桥栏杆；9桥灯(3)操作顺序桥管施工应由专人负责指挥，吊装按照先桥上后桥下的顺序进行。吊装中应遵守安全规程，按预先制订的施工方案实施。根据挠度计算的数值，在地面平台上完成直管部分拼装焊接(跨距大的河流可分若干段)。直管部分吊装就位时，为防止钢管扭转(特别稍带拱形的钢管)，应采用“八字型”双索吊装。为减少架空焊接量，吊装长度应根据吊机荷重选择最大值。吊装的直管用抱箍加以固定后，方可拆除吊装绳索。较窄的河流，直管部分可以一次吊装完成。较宽的河流可分若干段，在支架上拼接，但必须引放样线，使各段拼接的直管保持同心。图2928较大跨距桥管绕度的平衡安装除较窄的河流外，一般桥管均需安装温度补偿器。补偿器应设置于直管部分，为水平安装。补偿器的两侧钢管应设支架，或预先制作托架作支点。目前桥管上广泛采用“波形补偿器”。分别用放样线定出桥管和岸管的轴线，丈量出垂直距离，根据盘弯角度，计算出两侧引管具体尺寸，在地面平台上制作成双弯管配件(丈量方法见本章前述)，然后分别吊装至桥管两端拼接。在口径较小(一般5300毫米以下)、长度较短(一般10米左右)的情况下，桥管和引管可在地面上拼接为整体一次吊装就位，可避免架空拼焊量，提高工效。与岸管镶接应在最后阶段进行。引管的岸侧直管部份长度应大于200毫米，并砌筑混凝土基础为支点，以防桥管载重引起下沉。除锈、防腐。清除钢管表面铁锈，涂二度底油漆，(大部分可预先在地面上完成)。引管的埋地部分防腐应采用外包玻璃布和沥青(三油二布)，并延伸至地面上20厘米。2管桥法当地下管穿越河流时无桥梁依附或有桥梁但无条件供管道架设时通常采用打桩、架空的穿越施工。这种方法称“管桥法”。(1)按照穿越管道的轴线位置定出管桥桩的定位直线，并根据设计要求确定打桩点，完成打桩。管桥桩横梁上应预埋抱箍螺钉。(2)由于无桥梁依附，管道拼接将在河流某一岸进行。由于吊机无法停靠，使吊装就位发生困难，施工中采用牵引方法将管道拖移就位。因此，施工前必须在河岸选择好桥管拼接位置，并制作好“拼装平台”，在“平台”的对岸打桩(地锚)，安装电动卷扬机。牵引设备的牵引力的验算式为：QN；N=PfK式中Q牵引力(牛)；N牵引载荷(牛)；P牵引管道所受的重力(牛)；f摩擦系数，钢与土壤取04；K起动系数，取2。(3)在较狭的河流上施工时，一般采用移动吊装法。根据测量所得尺寸在河岸“平台”上将“管桥”整体全部制作完成，两端封口，然后启动设置在对岸的牵引设备，将“管桥”移至水中，并借助于水的浮力将管桥的一端浮运至对岸，然后在两岸各设一台吊机同时协调起吊至“管桥桩”上就位，并随即用抱箍加以固定。(4)在较宽河流上施工时，由于跨度大“管桥”无法整体吊装，可采用“浮运吊装”法(见图2929)。图2929过河桥管浮运起吊法安装示意图1滚动活轮组；2吊车；3船吊设备；5敷没钢管；6驳船；7钢管安装座；8钢筋混凝土管桩；9牵引钢绳；10吊车；11卷扬机；12地锚在河岸设置操作平台，并安装滚动活轮组。于河对岸打“地锚”，安装电动卷扬机和滚动活轮组呈一直线。并选用小型驳船，在船上搭建平台，其高度与河岸平台呈同一水平(以吊装时水位计)。操作时，先将钢管吊至活轮组上组装焊接(活轮组可视现场条件设若干组)，完成后运用对岸牵引设备，将已组装的钢管往对岸方向移动，并将移至河中钢管搁置于驳船平台上，并加垫块将钢管调整至水平位置，再往钢管下垫入木板或橡胶板，防止滑动。然后启动卷扬机牵引钢管，利用驳船的浮力即可很方便、平稳地将钢管逐渐移动。与此同时，在河岸的平台上逐段组装钢管，依次逐段进行，当桥管全部组装完成后，按图示要求运用河二岸停放的吊机，将钢管吊装至桥桩上就位。如：二台吊机荷重无法承受，则可在河流中设“浮吊”配合吊装。3拱管法拱管法是将穿越河流的等截面钢管预制成拱形管，然后整体安装。拱管必须验算其抗弯强度，主要考虑其空间稳定性，因为风力吹动使管产生较大的扭矩。空问稳定性可用对拱管的矢跨比进行验算：式中f拱管高度(米)；l拱管弯曲长度(米)。当管自重和风载较大时可采用较小的矢跨比，但温差较大地区用较大的矢跨比。为减少引管扭转应力，拱管两侧应砌筑牢固的混凝土基础并加抱箍(见图2930)。拱管跨度大，可以不必设管桥桩，但安装困难，只能在局部地区选择使用。图2930拱管法安装示意图二、水下敷设法当穿越河流的管道因水上航道限制而无法采用架空跨越方法时，则采用“倒虹吸管”方法在河底土层中埋设穿越。在水下敷设管道比架空跨越施工难度高，必须编制完整的施工方案，并报请航运部门批准和支持。1施工准备水下管敷设涉及到较复杂的施工技术、安全机具等问题，施工前应按照设计要求作好充分的准备工作。(1)核对施工地区河流的水文地质资料测量穿越河流的水位，并了解历史最高水位。测定穿越点河流流速。河底流速一般取河面流速的08509。在河流两岸钻孔取样，了解河底的土质情况。(2)施工方法选择水位较低、流速较慢、土质较好的允许封航的中小型河流宜用“围堰法”施工。水位较高、流速较快、没有条件封航的中小型河流可采用“浮运下沉法”施工。大型河流、没条件封航的中型河流可采用“顶管施工法”。(3)穿越施工点的确定管位在符合设计要求的前提下，穿越点应选择在河流平直、水流平缓、河底平坦、河床稳定、地质构造单一、两岸具有较宽阔漫滩，和具备操作场地的河段。下列地带不宜穿越沙滩或浅水滩：桥梁上游三百米，下游一百米之内的地区，船只可能停泊下锚处，沿岸建筑物和地下管线密集、无施工场地的河段。(4)施工时间的选定根据掌握的航运资料和水文资料，将施工时间安排在雨水少、河流枯水期、航运淡季时，可减少人力、物力，增加工程的可靠性。2河底沟槽开挖(1)围堰法在待穿越水下管线两边，堆筑临时堤坝，阻挡水流并排除堤坝间的积水。然后开沟敷管，回垫覆土。此方法简单，需要设备少，但是必须在断航下施工，有一定的局限性。围堰的种类较多，常见有土围堰、草土混合堰、木排(槽钢)桩围堰和草麻袋围堰等方式。详见图2931。图2931各种河底围堰示意图1石块竹笼；2粘土草包防冲层；3粘土草包护层；4砂质粘土；5石块护脚；6钢板；7槽钢桩；8土质堰体；9满布铅丝绳：10敷设管道；11草(麻)包粘性土；12敷设管道；13散草；14捆草；15粘性土壤土围堰采用含有卵石的砂质粘土料堆成梯形并夯实，水流急时外层用粘土草包和石块保护，防止水流冲涮。此方法简单，在流速小、河流狭窄情况较适用。草土混合堰由草捆与粘土相问堆压而成。草呈柔性以抗水，受土荷重而密实，有很稳定的抗渗性能。造价低廉、施工方便，适于水深在6米内，流速小于3米秒的河流中。围堰土和草的体积比为1：15左右，堰体底宽取水深45倍为宜。槽钢(木排)桩围堰用槽钢桩或木桩打入围堰两侧，间距为一米左右，入土深度视水深和流速而定。围堰两侧用铁板封闭，填土夯实。由于填土量比土围堰、草土混合堰少，一般适用于水深3米、流速2米秒的河流。草(麻)袋围堰在草(麻)袋中装入松散粘性土(装填量为袋容量的23)，堆筑于围堰两侧，中间加砂质粘土。适用于水深35米，流速为12米秒，河床不透水场合用。各种围堰构筑要求详见表295。表295各种围堰构筑要求分类填料顶宽(米)边坡临水面背水面土围堰草土混合堰草(麻)袋围堰钢(木)桩围堰松散粘土、砂粘土粘性土及草草袋、粘性土粘性土241222.50.81.51:21:31:21:31:11:0.51:02:31:22:31:21:0.51:0.21:0(2)水下开掘沟槽带水开掘河底沟槽的操作既困难，又费时，当水深超过07米时用人工一般无法操作，则需采用机械来开挖。操作中必须随时测量，以防水下沟槽超深。开挖方式可选用以下四种：拉铲开挖(见图2932)拉铲是钢制的底部有齿状铲刀的铲斗，在前后系上钢丝绳经过滑轮引至卷扬机。操作时启动卷扬机来回牵动拉铲开挖河底沟槽。用此方法开挖沟槽其底部成弧形，无法保持平整。图2932水下拉铲开沟示意图1双鼓轮绞车；2尾塔拉绳；3竖杆；4曳引绳；5曳引尾绳；6竖杆；7尾塔拉绳；8拉铲采用挖泥船开沟挖泥船的类型根据土质选定。各类粘性土壤可选用绞吸式挖泥船，抓斗式挖泥船或轮斗式挖泥船。非粘性土壤可选用吞口式挖泥船。采用水力吸泥器或空气吸泥器水力及空气吸泥器的作用原理和射流泵一样，是利用高压水或压缩空气通过一个喷嘴，在管内造成负压产生吸力将泥砂送出水面(图2933)。这种方式适用于砂性土壤。对于粘土或较坚硬的土壤应配备射水装置，先碎土、再吸泥，也同样达到较好的效果。爆破开沟适用于基岩河床的水下开沟以及不适宜机械开挖的软性土层。爆破法无需大量机具和人工，施工期较短，对于小型管道的水下沟槽，爆破后即成沟型。对于口径较大的管道沟槽往往是采用爆破和其他方法配合进行，先爆破起松后，再用其他方法开挖。(3)水下管道敷设河底拖运敷设当密封管体的自重大于水的浮力时，将自然下沉至河底。施工时先测量已开挖沟槽位置，在河岸边预先把穿越管道拼装成整体，然后通过对岸的牵引设备拖运至河底沟内。牵引设备应与拖运管道保持较小的高差，设于水下管道轴线上。此方法一般适用于口径小于400的钢管。图2933水力吸泥器工艺流程1泥浆吸口；2挡石钢罩；3高压水进口；4喷嘴；5混合室；6吸泥管；7喷泥管；8泥浆喷出口浮运下管当密封管段的自重小于水的浮力时，可采用浮运下管方法。施工前将穿越管道预制成整体，并在河的两岸，用牵引设备将管段漂移至水下沟横的上方位置，然后往管段内灌水使其沉入水底沟槽中。由于在往管段内灌水过程中，管段会产生不均匀下沉，因此灌水过程应缓慢、均匀，应考虑若干个进水点和排气孔。围堰法敷设管道比带水敷设方便得多，与陆地上施工的主要区别是吊装设备无法进入围堰地区，所以一般采用河底拖运法施工，可以整体拖运至沟内，也可以逐段拖运、拼装。对于中小型河流水下管道敷设，一般采用围堰法开沟敷管。带水开沟敷管不仅施工困难，而且工程质量难以保证，应尽量少用。(4)水下管道敷设要求水下管道是由河底管和引管二部分组成的倒虹吸管(图2934)。图2934过河倒虹吸管安装示意图1钢筋混凝土工作坑；2集水井；3排水管；4倒虹吸双管；5波纹管；6水坑；7支座；8阀门；9水井梗当河底管选用双管时，两管之间应保持50毫米间距，以利检修。河底管敷设深度0815米。为防止管道不均匀下沉，应保持较大坡度，一般选用10以上，管道坡向成弧形。水井一般位于河床中间，有条件时应尽可能安装在临近河岸的位置。水井梗安装于河底管内部，延伸至河岸操作室内。在完成河底部分管道敷设后再安装引管(河岸部分)。河流两岸引入管均设操作坑。坑内设抽水泵、阀门和波形补偿器，然后连接Y型三通管合并为一根管道与岸上地下管连通。因水下管道检修难度大，对河底管道的强度和防腐应作特殊处理。(a)钢管焊缝(特别是环向焊缝)必须严格按照二级以上焊接规程要求进行，对每条焊缝必须进行无损探伤和x光拍片检查。最后进行气密性试验，试验气压应按正常数据提高一倍。河底管道多数整体牵引敷设，会产生对环向焊缝的弯曲应力集中，故应作加强措施。在环向焊缝外壁均布加强筋(图2935)，效果较为理想。加强筋的钢材应与钢管材料相同。加强筋的数量至少四条，随钢管口径的增加而相应增多。钢管环向焊接处的加强筋不仅用于河底管，同样可以使用于其他地下钢管中。各种口径钢管配筋数参见表296。表296常用钢管加强筋板数量公称管径(毫米)2003004005006007008009001000加强筋板(条)44567891012图2935河底管加强筋板焊接示意图(b)钢管的防腐绝缘层。应选用四油三布加强处理，表面均应电火花测试合格。水井梗的防腐要求与钢管相同。(c)水下管道敷设后沟槽的回垫土比较松软，存在着较大空隙，加上竣工后由于河水流动、冲刷，将大大减少管线表面的盖土层，带水敷设回垫土的效果更差，因此水下管道的防浮处理显得十分重要。据国外有关资料介绍，水下管道的破裂大多数是由于管道荷重不够，管道上浮而产生的。考虑到水下回垫土层的不稳定，所以一般埋设深度应大于河底冲刷以下05米位置；同时必须附加重块防浮。验算中可将覆盖土层荷重忽略不计，作为安全因素。附加重块可按下式计算：P=K(q+p)g-Q式中P单位长度管道上的附加重块的质量(公斤米)；Q单位长度管道在空气中的质量(公斤米)；q单位长度管道密封状态下浮力(牛米)；p单位长度管道上附加重块浮力(牛米)；g重力加速度(米秒2)；K安全系数取1215(水流湍急采用较高数)。附加重块可用铸铁或钢筋混凝土制成马鞍式或铰链式平衡块(见图2936)。用此种附加重块稳管较简便，但由于数量不多容易产生应力集中，而且不能很好固定于管道表面，对于水流急、河床不稳定地区不宜使用。图2936马鞍式及铰链式河底管道平衡块也可在回垫土层上用水泥(配钢筋)灌注成连续覆盖层。此种方法对管道载荷均匀，但施工较为困难。也有采用钢制框架稳管或用抱箍稳管(详见第9章安全施工技术)。(5)顶管施工在穿越水流急、宽度大、航运繁忙的江河时，目前较多采用顶管施工法。由于顶管施工可避免与河流直接接触，施工时不受航运干扰，因此逐步为穿越大中型江河的主要施工形式。顶管施工示意图见图2937。图2937外加套管顶管法示意图1套管；2敷设管；3钢筋混凝土工作坑；4集水井；5集水坑；6水井梗3大跨度管桥施工法当受到河流船舶通行，管桥的支墩的设置受到局限，其跨距较大，无法满足穿越钢管的强度和刚度要求，此类称之为大跨度管桥可采用以下施工方法：(1)扩大管径或增加壁厚：此方法目的是增加钢管的强度，方法处理简便，但因管材增加和支墩的扩大，所以费用增加较大。(2)增设管陇(木行架)根据跨距，设计和制作方型的钢制木行架(俗称管陇)，安装于支墩上，随后将钢管穿越木行架内。此方法施工方便，但钢制木行架制作安装费用较高。(3)采用斜拉法(双塔或单塔)此工艺来自斜拉桥结构原理，在管桥中间或二侧设置强度较高的水下支墩，引出水面，并在支墩上安装竖向木行架，二面或单面引出斜拉钢索，牵引住管桥(参见图2938)。图2338管桥双塔斜拉结构示意图1管桥椿；2补偿器；3套筒；4调整套；5斜拉架；6避雷针(4)采用“增大管道惯性距”施工方法“增大管道惯性距”是上海煤气公司近年来开发的新技术，通过对大跨度管桥钢管上下两侧焊接“槽钢简易方法，增大钢管的“惯性距”，提高钢管的刚度，燃气管桥安装必须符合管道(钢管)的强度和刚度二个条件。管桥的强度条件应符合下式要求：式中L架空管道跨距(米)；s许用弯曲应力(兆帕)；Z管道的断面系数(厘米3)；焊缝系数(碳素钢，单面焊取=O8，双面焊取09)；K弯距系数的倒数(端跨K=8，中问跨K=10)；q计算荷载(管道自重+雪重+风载荷载引起的力)(牛米)。管桥的刚度条件(坡度)应符合下式的要求：式中i架空燃气管道的坡度；a计算荷载(牛米)；L架空燃气管道的跨距(米)；E管道材料的弹性模量(兆帕)；J管道断面惯性矩(厘米4)。强度条件是指钢管及焊口在受管内燃气压力和外力影响状态下，保持足够的强度。而刚度为钢管抗弯曲的能力。为确保管桥保持良好的刚度。从上式中，可知，增加惯性距(J)而不增加钢管重量(q)，是提高管道(钢管)刚度的有效途径。此工艺可操作性强，造价低廉，施工前先按上式计算，选定拟架设钢管上下两侧全部增加的加强“板筋”(一般选用槽钢)和“加强钢环”(每2米1只)，预先与钢管焊接成一体，并在吊装时将加强板筋就位于上下垂直方向(详见图2939所示)。图2939增强管道惯性距结构“增大管道惯性距”管桥施工法的技术要点为：确保主跨段管道的强度、刚度和吊装就位的稳定性，为此必须严格的按照“整体制作”、“整体吊装”、“一次就位”的施工方案。其工艺为：(1)管道主跨段整体制作涉及钢管预制和起拱量的确定，钢管放样准确和焊接质量等关键技术问题：钢管整体制作起拱量的确定。根据设计要求，管桥坡度为10，按管桥(静态)中点的起拱量为：l=(L2)i式中l坡度为起拱量(厘米)；L管桥跨距(米)；i设计管桥坡度。挠度计算：式中fmax挠度(厘米)；l跨距(米)；q均布荷载(牛厘米)；E弹性模量(取21107)；J惯性距(厘米4)。钢管制作的预起拱量为：I=l+fmax式中I预起拱量(厘米)。根据预起拱量，绘制钢管施工图，并编制施工工艺流程确定各工序的技术要求。准确放样、确保钢管拼装弧度均匀。由于管体要求中点起拱，故需制作成弧形的管桥，为确保管桥的外形美观和应力的均匀分布需钢管的拼接制作成呈均匀弧度。按钢管总长的弧度要求(起拱量)求出各钢管段拼接角度，不得将角度集中某几个焊口，而造成应力集中和影响外观。焊缝质量控制。钢管焊接系本工程关键。因焊缝不仅仅确保管道的气密性，而且要承受架设后由重力，风(雪)载荷和吊装过程中所产生的应力条件。故本工程焊接标准比原燃气管道提高，选用JB92867标准中二级焊缝要求执行(包括钢管制作、现场拼装、焊接)，并增加下述技术措施：每只焊缝均由煤油渗透现场检查，无渗透；焊缝经x光损探伤100，均需符合二级片要求；增加强度试验：压力为运行压力二小时无下跌，上述要求均列入施工方案并由公司、所二级质检部门现场监督验收。第 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